fian-inform

Switch to desktop Register Login

Результаты расчетов взаимодействия смешанных частиц решили проблемы темной материи

 

Сразу две проблемы описания поведения темной материи решают модельные расчеты взаимодействия смешанных частиц, произведенные профессором Михаилом Медведевым из Университета Канзаса (США). Это проблема каспов - расхождения плотности холодной темной материи в центре гало, а также проблема несоответствия количества наблюдаемых темных гало тому, что сулит Космологическая Стандартная Модель.

 

Элементарные частицы в одном из приближений делятся на простые или однокомпонентные частицы, например, электрон, и на более сложные или смешанные, например, нейтрино. Когда рождается нейтрино, про него можно сразу сказать – родилось ли электронное, мюонное или тау-нейтрино. Но ответить на вопрос – какова масса родившейся частицы - гораздо сложнее. Нейтрино невозможно приписать определенную массу, она выражается в вероятностном соотношении трех массовых состояний. Идею комбинированных нейтрино и их осцилляций (превращений из одного в другое) предложил в 50х годах советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво.

«Смешанные частицы представляют собой комбинацию нескольких массовых состояний, так как их поведение описывается волновой функцией. Представим, что у нас есть оси х и у, в одном случае частица имеет одну массу, и она отложена по одной оси, в другом случае – другую, которая откладывается по другой оси. Так происходит и в случае с нейтрино», - комментирует Михаил Медведев.

В целом масса нейтрино очень мала, поэтому они всегда рождаются релятивистскими. При этом практически все аналитические задачи о поведении нейтрино и других частиц подобного типа, когда они движутся с релятивистскими скоростями, уже решены. Но вопросом, что будет, если нейтрино или какая-то другая смешанная частица будет двигаться со скоростями много меньше скорости света, никто не задавался.

Михаил Медведев: «В этом случае массовые состояния будут двигаться с разной скоростью и физически друг от друга разбегутся. И если в то время, когда эти состояния находятся в разных местах, произойдет взаимодействие, например, рассеяние в результате столкновения с другой частицей, то вследствие него создадутся все три состояния. То есть произойдет конверсия из одного состояния во все остальные».

Так происходит потому, что в результате взаимодействия волновая функция частицы переходит из массового состояния в состояние с определенным «ароматом», как если бы рождалась новая частица, (в случае нейтрино «аромат» определяется тем, какое это нейтрино - электронное, тау- или мюонное) – а это снова три массовых состояния. И путем последовательных столкновений - «рассеять - подождать пока разбегутся» - можно полностью изменить начальный набор массовых состояний.
Логическое продолжение полученного вывода следующее. Дело в том, что многие кандидаты в частицы темной материи являются смешанными. Например, нейтралино – смесь четырех составляющих (зино, фотино и двух типов хиггсино), есть и другие, более экзотические примеры. И если частицы темной материи хоть немного друг с другом сталкиваются, то картина крупномасштабной структуры Вселенной несколько изменится.

«Все, что находится на больших масштабах - галактики, их скопления, большие филаменты, которые любят изображать на картинках, все это останется на месте. Изменится структура Вселенной на очень маленьких масштабах - порядка килопарсека. И эти изменения вполне могут решить основные на сегодняшний день проблемы холодной темной материи», - делится профессор Медведев.

Первая проблема связана с тем, что согласно Космологической Стандартной модели, количество темных гало (а конкретно, темных гало малой массы), то есть гравитационно-связанных комков, которые являются основой для формирования карликовых галактик, примерно в 30 раз больше, чем может быть идентифицировано на сегодняшний день. Если частицы темной материи как минимум двухкомпонентны, и при этом возможны их столкновения, то теоретическое количество темных гало значительно уменьшается, приближаясь к наблюдаемому.

67.pngСравнение профилей плотностей 100 гало темной материи, полученных исходя из модели холодной темной материи (слева), и холодной двухкомпонентной темной материи (справа). Видно, что профили плотности в центре гало на правом графике более плоские, т.е. практически не содержат каспов.


Вторая проблема носит название проблемы каспов. Она заключается в том, что согласно расчетам, плотность темной материи в центре гало стремится к бесконечности, образуя на соответствующем графике так называемый касп (от англ. cusp — острый выступ), в то время как во Вселенной каспы не обнаруживаются. В случае со столкновительной многокомпонентной темной материей профиль плотности центра галактик получается значительно более плоским.

68.pngРаспределение гало темной материи по максимально возможным в них скоростям вращения (такие скорости характеризуют размер и массу темных гало). Черная кривая соответствует стандартной модели однокомпонентной холодной темной материи, синяя – двухкомпонентной. Розовые точки – количество наблюдаемых карликовых галактик в так называемой Местной Группе – группе галактик ¬- ближайших соседей нашей галактики Млечный Путь.

О решении проблем описания поведения холодной темной материи профессор Михаил Медведев рассказал во время Гинзбурговской конференции по физике, которая прошла в ФИАНе с 28 мая по 2 июня 2012 года.

АНИ «ФИАН-информ»

 

ФИАН - Информ © 2012 | All rights reserved.

Top Desktop version